创新思维与方法第10章技术矛盾及物理矛盾课件.pptx

目 录,第10章 技术矛盾与物理矛盾,矛盾是TRIZ的基石。矛盾可以帮助我们更快、更好地理解隐藏在问题背后的根本原因，找到解决问题的方法。,第10章 技术矛盾与物理矛盾,通常，对于包含矛盾的工程问题来说，人们最爱使用的解决方法就是折中（妥协），之所以出现这种情况，是由我们的思维特性所决定的。在人们的潜意识当中，奉行的简单逻辑就是：避免出现矛盾的情况。其结果是矛盾的双方都无法得到满足，系统的巨大发展潜力被矛盾牢牢地禁锢了。面对包含矛盾的问题，常规的逻辑思维往往无能为力。我们需要利用其他的逻辑思维过程来解决矛盾。TRIZ就是我们所需要的思维方法，它的出发点是从根本上解决矛盾。TRIZ建议我们不要回避矛盾。相反地，是要找出矛盾并激化矛盾！,第10章 技术矛盾与物理矛盾,如何将隐藏在问题中的矛盾抽取出来，是一项复杂而困难，但又无法回避的问题。经验丰富的TRIZ专家与一般TRIZ使用者之间最大的差别之一，就是抽取和定义矛盾的能力。在实践过程中，只有经过不断的练习和总结，可以使这种能力得到提升。,技术矛盾与矛盾矩阵,10.1,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,从矛盾的观点来看，A和B之间之所以存在这样一种类似于“跷跷板”的关系，是因为A和B之间既对立（具体表现为A和B之间这种类似于反比的关系，改善了A却恶化了B；或改善了B却恶化了A。符号表示为A+，B-；A-，B+）又统一（具体表现为A和B位于同一个系统中，A 与B 相互联系，互为依存）。,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,例10-1 坦克装甲的改进。在第一次世界大战中，英军为了突破敌方由机枪火力点、堑壕、铁丝网组成的防御阵地，迫切需要一种将火力、机动、防护三个方面结合起来的新型进攻性武器。1915年，英国利用已有的内燃机技术、履带技术、武器技术和装甲技术，制造出了世界上第一辆坦克“小游民”坦克（见图10-1）。当时为了保密，称其为“水箱”。1916年9月15日，英军在索姆河战役中首次使用坦克来配合步兵进攻，使久攻不动的德军阵地一片混乱，而英军士气得到极大的鼓舞。这场战役使各个国家认识到了坦克在战场上的价值，于是纷纷开始研发并装备坦克作为阵地突破的重型器械。同时，各国也开始寻求能够有效摧毁这种新式武器的方法，并开发出了相应的反制兵器。,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,在以后的战争中，随着坦克与反坦克武器之间较量的不断升级，坦克的装甲越做越厚。到第二次世界大战末期，坦克装甲的厚度已经由第一次世界大战时的十几毫米变为一百多毫米，其中德国“虎II”式重型坦克重点防护部位的装甲厚度达到了180毫米（见图10-2）。,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,图10-1 第一次世界大战中的世界上第一辆坦克“小游民”坦克,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,图10-2 第二次世界大战中的德国“虎II”式重型坦克,10.1 技术矛盾与矛盾矩阵,随着坦克装甲厚度的不断增加，坦克的战斗全重也由最初的7吨多迅速增加到将近70吨。重量的增加直接导致了速度、机动性和耗油量等一系列问题的出现。在本例中，装甲的厚度与坦克的战斗全重这两个参数，就构成了一对技术矛盾。,10.1.1 定义技术矛盾,技术矛盾是两个参数之间的矛盾，指在改善对象的某个参数（A）时，导致另一个参数（B）的恶化。此时，我们称参数A和参数B构成了一对技术矛盾。例如，改善了某个对象的强度，却导致其重量的恶化；改善了某个对象的生产率，却导致了其复杂性的恶化；改善了某个对象的温度，却导致了其可靠性的恶化，等等。改善并不一定是指参数值的增加，也可能是指参数值的降低。例如，改善飞机发动机的重量特性，就是指如何在保持发动机主要技术性能不变的前提下，降低发动机的重量。所以，这里所说的改善是指“功能”的提升，而不是“数值”的增加。,10.1.2 通用工程参数,大多数针对技术矛盾的启发式方法都是由阿奇舒勒在1940年到1970期间验证和确认的，如今它们依然可以用来指导我们所遇到的许多发明问题。从大量来自于前苏联、美国、德国和其他国家的专利中，阿奇舒勒选择了大约4万多个属于第二级、第三级和第四级的专利，并从中抽取出适用于工程领域的40个发明原理和39个通用工程参数。这些工程参数如表10-1所示。,10.1.2 通用工程参数,表10-1 39个通用工程参数,10.1.2 通用工程参数,在39个通用工程参数中，任意两个不同的参数就可以表示一对技术矛盾。通过组合，一共可以表示1482种最常见的、最典型的技术矛盾，足以描述工程领域中出现的绝大多数技术矛盾。可以说，39个通用工程参数是连接具体问题与TRIZ的桥梁。借助于39个通用技术参数，可以将一个具体问题转化并表达为标准的TRIZ问题。,10.1.2 通用工程参数,从表10-1中可以看出，许多参数都被区分为“运动对象的”和“静止对象的”。所谓“运动对象”是指可以很容易地改变空间位置的对象。不论对象是靠自己的能力来运动，还是在外力的作用下运动。交通工具和那些被设计为便携式的对象都属于运动对象，例如，车辆、船舶、手机、笔记本电脑等。而“静止对象”是指空间位置不变的对象。不论是对象靠自己的能力来保持其空间位置的不变，还是在外力的作用下保持其空间位置的不变。判断的标准是：在对象实现其功能的时候，其空间位置是否保持不变，例如，建筑物、台式计算机、洗衣机、写字台等。,10.1.2 通用工程参数,准确地理解每个参数的含义，有助于我们从问题中正确地抽取矛盾。由于这39个参数具有高度的概括性，所以很难将其定义得非常精确。从另一个角度来说，也不能将它们定义得过于死板，否则就失去了其应有的灵活性。在对这些工程参数进行简要解释时，其中所说的对象既可以是技术系统、子系统，也可以是零件、部件或物体。,10.1.2 通用工程参数,为了应用方便和便于理解，可将上述39个通用工程参数大致分为以下三类：（1）通用物理及几何参数。运动物体和静止物体的重量、运动物体和静止物体的尺寸（长度）、运动物体和静止物体的面积、运动物体和静止物体的体积、速度、力、应力或压强、形状、温度、照度、功率；（2）通用技术负向参数。运动物体和静止物体的作用时间、运动物体和静止物体的能量消耗、能量损失、物质损失、信息损失、时间损失、物质的量、作用于对象的有害因素、对象产生的有害因素。所谓负向参数，是指当这些参数的数值变大时，会使系统或子系统的性能变差。如子系统为完成特定的功能时，所消耗的能量（No.1920）越大，则说明这个子系统设计得越不合理。,10.1.2 通用工程参数,（3）通用技术正向参数。对象的稳定性、强度、可靠性、测量精度、制造精度、可制造性、操作流程的方便性、可维修性、适应性和通用性、系统的复杂性、控制和测量的复杂度、自动化程度、生产率。所谓正向参数，是指当这些参数的数值变大时，会使系统或子系统的性能变好。如子系统的可制造性（No.32）指标越高，则子系统制造的成本就越低。,10.1.3 矛盾矩阵,通过对大量专利的研究，阿奇舒勒发现了一种现象，即针对某一对由两个通用工程参数所确定的技术矛盾来说，40个发明原理中的某一个或某几个发明原理被使用的次数要明显比其他的发明原理多，换句话说，一个发明原理对于不同的技术矛盾的有效性是不同的。如果能够将发明原理与技术矛盾之间的这种对应关系描述出来的话，技术人员就可以直接使用那些对解决自己所遇到的技术矛盾最有效的发明原理，而不用将40个发明原理进行逐一试用了。于是，阿奇舒勒将40个发明原理与39个通用工程参数相结合，建立了矛盾矩阵（又称3939矛盾矩阵，见表10-2）。,10.1.3 矛盾矩阵,表10-2 矛盾矩阵（局部）,10.1.3 矛盾矩阵,在矛盾矩阵表中，左边第一列是技术人员希望改善的139个通用工程参数，上面第一行表示被恶化的139个通用工程参数，即由于改善了第一列中的某个参数而导致第一行中某个参数的恶化。位于矛盾矩阵中对角线上的单元格（以灰色填充的单元格），它们所对应的矛盾是物理矛盾，即改善的参数和恶化的参数相同。,10.1.3 矛盾矩阵,矛盾矩阵中间单元格中的数字是发明原理的序号，每个序号对应于一个发明原理。这些序号是按照统计结果进行排列的，即排在第一位的那个序号所对应的发明原理在解决该单元格所对应的这对技术矛盾时，被使用的次数最多，依此类推。当然，在大量被分析的专利当中，用于解决某个单元格所对应的技术矛盾的发明原理不仅仅只有该单元格中所列出的那几个。只是从统计的角度来说，单元格中所列出来的那些发明原理的使用次数明显比其他发明原理的使用次数多而已。,10.1.3 矛盾矩阵,使用矛盾矩阵的具体步骤是：（1）从问题中找出改善的参数A。（2）从问题中找出被恶化的参数B。（3）在矛盾矩阵左第一列中，找到要改善的参数A；在矛盾矩阵的上第一行中，找到被恶化的参数B；从改善的参数A所在的位置向右作平行线，从恶化的参数B所在的位置向下作垂直线，位于这两条线交叉点处的单元格中的数字，就是矛盾矩阵推荐给我们的、用来解决由A和B这两个通用工程参数所构成的这对技术矛盾的、最常用的发明原理的序号。,10.1.3 矛盾矩阵,需要注意的是：（1）对于某一对确定的技术矛盾来说，矛盾矩阵所推荐的发明原理只是给我们指出了最有希望解决这种技术矛盾的思考方向，而这些思考方向是基于对大量高级别专利进行概率统计分析的结果。因此，对于实际工作中所遇到的某对具体的技术矛盾来说，并不是每一个被推荐的发明原理都一定能解决该技术矛盾。,10.1.3 矛盾矩阵,（2）对于复杂问题来说，如果我们使用了某个发明原理，而该发明原理又引起了另一个新问题的时候（副作用），不要马上放弃这个发明原理。我们可以先解决现有问题，然后将这种副作用作为一个新问题，想办法加以解决。（3）矛盾矩阵是不对称的。,利用矛盾矩阵求解技术矛盾,10.2,10.2 利用矛盾矩阵求解技术矛盾,解决技术矛盾的核心思想是：在改善技术系统中某个参数的同时，其他参数不受影响。利用矛盾矩阵解决技术矛盾的过程，大致可以分为以下三个步骤，即分析技术系统，定义和解决技术矛盾。,10.2.1 分析技术系统,这里包含三个步骤。步骤1：确定技术系统的所有组成元素。首先，通过对技术系统中各个组成元素的分析，可以使我们对每个组成元素的参数、特性和功能有一个全面的认识。其次，通过对各个组成元素之间的相互作用关系的分析，从整体上把握整个系统的作用机制，即不同元素之间存在什么样的相互作用以及它们对于系统整体性能、功能的实现分别起到了什么样的作用。最后，通过上述分析，为找出问题的根源奠定基础。,10.2.1 分析技术系统,另外，通过对技术系统进行深入分析，可以确定技术系统中所包含的各个子系统、技术系统所属的超系统，以便帮助我们更好地理解技术问题，为找出问题的根源做准备。只有这样，才可能从整体上系统地了解现有技术系统的情况：子系统、系统和超系统的过去、现在和未来。实例：在例10-1中，作为一个技术系统，坦克由以下几部分组成：武器系统、推进系统、防护系统、通信系统、电气设备、特种设备和装置。,10.2.1 分析技术系统,步骤2：找出问题的根源，即问题的根本原因，这是彻底解决问题的基础。问题的背后总是隐藏着原因。通常，消除引起问题的原因要比消除问题更容易，也更有效。理清技术系统在过去和未来的功能有助于理解技术系统的工作条件，对技术系统未来应具备的功能的理解还可以帮助我们发现新的、未预见到的、不会出现当前问题的工作条件，从而使问题自动得到解决（见图10-3）。,10.2.1 分析技术系统,图10-3 问题的逻辑链,10.2.1 分析技术系统,从图10-3中，可以清楚地看到当前问题是如何产生的，各个相关参数是如何被串起来成为一个链状结构的。对技术系统的过去进行考察，看看是否可以在先前步骤中将问题解决掉。在某些情况下，这种分析可以帮助我们找到问题的解决方案，甚至可以帮助我们消除问题。实例：在例10-1中，为了增加坦克的抗打击能力，最直接的方法就是增加坦克的装甲厚度，这导致了坦克重量的增加。从而导致了坦克机动性的降低和耗油量的增加等一系列问题。,10.2.1 分析技术系统,步骤3：定义需要改善的参数。可以从以下两个方向来改善技术系统：（1）改善已有的正面参数。（2）消除（或弱化）负面参数。通过步骤2的分析，我们可以找到需要改善的参数。实例：在例10-1中，我们可以清楚地看出当前问题是如何产生的，各个相关参数是如何被串起来成为一个链状结构的（见图10-4）。,10.2.1 分析技术系统,图10-4 例10-1的逻辑链,10.2.1 分析技术系统,用自然语言可以描述为：为了改善（提高）坦克的抗打击能力，就改善（增加）坦克的装甲厚度，直接导致了坦克战斗全重的恶化（增加），间接导致了坦克机动性的恶化（降低）和坦克耗油量的恶化（增加）。从上述逻辑推导可以看出：要改善的参数是坦克的抗打击能力。对应到39个通用工程参数中，最合适的是强度。所以，在例10-1中，要改善的参数就是强度。,10.2.2 定义技术矛盾,技术矛盾是发生在技术系统中的冲突。如果对技术系统中某一参数的改善会导致系统中其他参数的恶化，就表明技术系统中存在冲突。前面，我们确定了需要改善的参数。在这里，我们需要将技术矛盾明确地定义出来。实例：在例10-1中，可以清楚地看出：由于改善了强度这个参数，直接导致了装甲厚度的增加，从而引起了坦克战斗全重的增加。所以，恶化的参数就是坦克的战斗全重，对应到39个通用工程参数中，最合适的是运动对象的重量。,10.2.2 定义技术矛盾,可以定义出技术矛盾：当我们改善技术系统的参数“强度”的时候，导致了技术系统另一个参数“运动对象的重量”的恶化，表示为： 强度运动对象的重量当然，我们也可以将装甲厚度、机动性或耗油量作为恶化的参数。在本例中，我们只是选择了坦克的重量这个参数而已。选择不同的恶化参数，会得到不同的技术矛盾。,10.2.3 解决技术矛盾,定义了技术矛盾以后，就可以使用矛盾矩阵来寻找解决问题的思考方向了。在表10-3左第一列中找到改善的参数：强度；在表上第一行中，找到被恶化的参数：运动对象的重量。从强度向左，从运动对象的重量向下分别作两条射线，在这两条射线的交叉点所在的单元格中，我们得到四个序号：1、8、40、15。,10.2.3 解决技术矛盾,表10-3 矛盾矩阵（局部）,10.2.3 解决技术矛盾,下面，我们看看从矛盾矩阵中得到的每个发明原理以及每个发明原理中的指导原则。原理1 分割。（1）将一个对象分成多个相互独立的部分。（2）将对象分成容易组装（或组合）和拆卸的部分。（3）增加对象的分割程度。应用指导原则（1），考虑将装甲分为多个不同的相互独立的部分；应用指导原则（2），考虑将装甲分割为多个容易组装和拆卸的部分；应用指导原则（3），考虑增加装甲的可分性，将装甲分割为更多的相互独立的部分，可以是成千上万，甚至上百万份。,10.2.3 解决技术矛盾,原理8 重量补偿。（1）将某对象与另一个能提供上升力的对象组合，以补偿其重量。（2）通过与环境的相互作用（利用空气动力、流体动力等）实现对象的重量补偿。应用指导原则（1），考虑将某种能够提供上升力的对象与坦克或装甲组合起来，利用该对象提供的上升力来补偿坦克装甲的重量；应用指导原则（2），考虑通过改变坦克的结构，从而使坦克能够利用环境中的物质来获得上升力，即能够自己产生上升力的坦克。这一原理在水陆两用坦克上得到了广泛的应用。,10.2.3 解决技术矛盾,例如，第二次世界大战中，盟军为实施诺曼底登陆，对原有的谢尔曼坦克进行改进，设计出了DD坦克（duplex drive, 两栖坦克）（见图10-5）。其原理就是在坦克上加装了一个9英尺（约2.7432米）高的可折叠帆布框架，使其成为像船一样能漂浮在水面上的坦克。帆布框架的作用，就是通过排开海水，产生浮力，以补偿坦克的重量。二战结束后，水陆两栖坦克开始了快速发展的步伐。,10.2.3 解决技术矛盾,图10-5 第二次世界大战中盟军使用的DD坦克,10.2.3 解决技术矛盾,原理40 复合材料。用复合材料代替均质材料。应用该原理意味着用复合材料代替先前的均质材料。我们知道，不同的复合材料可以具有不同的特性，很多复合材料可以同时满足高强度和低密度的要求。,10.2.3 解决技术矛盾,原理15 动态特性。（1）调整对象或对象所处的环境，使对象在各动作、各阶段的性能达到最佳状态。（2）将对象分割为多个部分，使其各部分可以改变相对位置。（3）使不动的对象可动或可自动适应。应用指导原则（1），考虑调整坦克、装甲或作战环境的性能，使坦克在工作的各个阶段达到最优的状态；应用指导原则（2），考虑将装甲分割为多个可以改变相对位置的部分；应用指导原则（3），考虑让原本“静止”的装甲变得“可动”或可以根据环境的变化自动调整自己的状态。,10.2.3 解决技术矛盾,结论：将原理1的指导原则（2）、原理40和原理15的指导原则（2）结合起来，我们可以得到一个解决方案：用复合材料制造一块一块容易组装和拆卸、可以动态配置的装甲板，按照需要动态地配置于坦克车体的各个部位（见图10-6）。,10.2.3 解决技术矛盾,图10-6 复合装甲在坦克车体上的配置,10.2.3 解决技术矛盾,在利用发明原理和矛盾矩阵解决技术矛盾的时候，还应该注意以下几点：首先，要认真阅读推荐的发明原理，体会每个指导原则的含义，不拒绝任何想法，并尝试将其应用于技术系统。其次，对于对应单元格中给出的这些发明原理，既可以单独使用，也可以考虑将两个或多个发明原理或指导原则合并起来使用。最后，如果所有给出的发明原理或指导原则都无法解决该问题，则需重新分析问题，重新定义技术矛盾，直到找出可用的概念解决方案为止。,物理矛盾与分离方法,10.3,10.3 物理矛盾与分离方法,阿奇舒勒定义物理矛盾（physical contradiction , PC）这个概念来描述以下情况：对同一个对象的某个特性提出了互斥的要求。例如，某个对象既要大又要小，既要长又要短，既要快又要慢，既要高又要低，既要有又要无，既要导电又要绝缘，等等。物理矛盾是对技术系统的同一参数提出相互排斥的需求这样一种物理状态。无论对于技术系统的宏观参数，如长度、电导率及摩擦系数等，还是对于描述微观量的参数，如粒子浓度、离子电荷及电子速度等，都可以对其中存在的物理矛盾进行描述。,10.3 物理矛盾与分离方法,物理矛盾反映的是唯物辩证法中的对立统一规律，矛盾双方存在两种关系：对立的关系及统一的关系。一方面，物理矛盾讲的是相互排斥，即同一性质相互对立的状态，假定非此即彼；另一方面，物理矛盾又要求所有相互排斥和对立状态的统一，即矛盾的双方存在于同一客体中。对于包含物理矛盾的对象来说，承载物理矛盾的那个特性，可能只依附于一个具体的参数（例如，长度、温度等），也可能是几个具体参数（例如，摩擦力、成本等）的综合表现。常见的物理矛盾既可以是针对几何参数、物理参数的，也可以是针对功能参数的（见表10-4）。,10.3 物理矛盾与分离方法,表10-4 常见的物理矛盾,10.3 物理矛盾与分离方法,例10-1 飞机机翼的改进。在飞机的改型设计中，为了提高飞机的飞行速度，设计人员希望用一种推力更大的新型发动机来代替原有的发动机。但是，新型发动机的重量要比老发动机大很多，这使得飞机的总重量大大增加。因此，在起飞时，原有机翼所提供的升力将无法满足要求。为了解决这个问题，可以增加机翼的面积。这样就能够在起飞的过程中产生更大的升力。但是，当飞机高速飞行时，增大了面积的机翼将产生更大的阻力，这又会降低飞机的飞行速度。,10.3 物理矛盾与分离方法,在这个例子中，针对“机翼面积”这个参数出现了相反的（互斥的、矛盾的）需求。一方面，为了提高飞行速度，需要推力更大的新型发动机。为容纳新型发动机比原有发动机更大的重量，需要在起飞的时候提供更大的升力，为此，需要增大机翼面积。另一方面，为了提高飞机的飞行速度，需要较小的飞行阻力，而机翼是产生飞行阻力的主要部位之一，增大机翼的面积会增大机翼的阻力。因此，需要减小机翼面积。,10.3.1 定义物理矛盾,物理矛盾也是一种常见的矛盾，当对一个系统的某个参数提出具有相反的要求时，就出现了物理矛盾。通常，我们在解决问题的时候，目标之所以无法实现，就是因为没有解决最重要的矛盾。一个好的解决方案应该是这样的：在使一个特性（在本例中，是重量、机翼面积）保持不变或得到改善的基础上，使目标特性得到改善（在本例中，希望得到改善的特性是速度）。解决问题的方法往往并不是显而易见的，需要解决问题的人具有一定的创造性。,10.3.1 定义物理矛盾,在常规设计中，对于这样的问题往往会采用折中或妥协的方法，或者仅仅满足两个矛盾的特性中“比较重要的”那个特性，而对于另一个“不重要的”特性则可以用其他辅助性手段来进行处理。但是，对于TRIZ来说，追求的就是解决矛盾，建立一个“完美的”系统，即在不使其他特性恶化的前提下，改善那个“重要的”特性。,10.3.1 定义物理矛盾,例10-2 飞机的载油量。增加飞机的巡航半径，飞机需要携带更多的燃油。但是，多携带燃油会增加飞机的重为了量，导致其单位航程耗油量的增加，从而缩短其巡航半径。这个问题，以前是通过给飞机携带副油箱的方式得以解决的。此时，副油箱被看作是飞机的一个子系统。随着技术系统的进化，副油箱逐步从飞机这个技术系统中脱离出来，转移至超系统，并最终演变为现代的空中加油机。其结果是，飞机“携带”的燃油既多（飞机“携带”了空中加油机，空中加油机可以“携带”很多燃油）又少（飞机自身所“携带”的燃油少），满足了互斥的需求。,10.3.1 定义物理矛盾,采用这种方式，一方面，由于飞机不需要携带副油箱，使得飞机的飞行重量降低，系统得以简化；另一方面，加油机可以“携带”比副油箱多得多的燃油，大大提高了为飞机补充燃油的效率。综上所述，物理矛盾可以精确地表达为：对象应该具有特性“P”，以便满足需求A；同时，对象应该具有特性“非P”，以便满足需求B（A+，A-）。,10.3.1 定义物理矛盾,读者可以参考以下的两种模板来定义物理矛盾：模板1：技术系统的名称 中 对象的名称 应该是（具有）特性，以便 对系统的第一种需求；同时，又不应该是（具有）特性，以便 对系统的第二种需求。例如：飞机 中 机翼 应该是（具有）大，以便 在起飞时提供更大的升力；同时，又不应该是（具有）大，以便 在高速飞行时具有较小的阻力。,10.3.1 定义物理矛盾,模板2：技术系统的名称 中 对象的名称 的 关键参数 应该为 关键参数的第一个值，以便 技术系统的第一种功能或特性；同时，关键参数 又应该为 关键参数的第二个值，以便 技术系统的第二种功能或特性。例如：飞机 中 机翼 的 面积 应该 大，以便 在起飞时提供更大的升力；同时，面积 又应该 小，以便 在高速飞行时具有较小的阻力。,10.3.1 定义物理矛盾,在定义物理矛盾时，到底使用哪个模板，要具体问题具体分析。当然，这两个模板只是参考，读者完全可以在此基础上灵活应用，以更加适合的方式来表达问题中所蕴含的物理矛盾。,10.3.2 物理矛盾的定义步骤,定义物理矛盾的步骤，可以分为以下四步：第一步：进行技术系统的因果分析；第二步：从因果分析中定义出技术矛盾；第三步：提取物理矛盾：在这对技术矛盾中找到一个参数，及其相反的两个要求；第四步：定义理想状态：提取技术系统在每个参数状态的优点，提出技术系统的理想状态。,10.3.2 物理矛盾的定义步骤,工程系统中常常遇到各种问题，如何将一个问题转换成物理矛盾是非常重要的。针对某种实际的问题情境，一般可以通过以上步骤逐步完成对其中物理矛盾的准确描述。,10.3.2 物理矛盾的定义步骤,以制造汽车过程中的一个问题为例：在制造汽车的时候，特别是制造重型卡车的时候，需要汽车非常坚固，并且能承载更多的货物。所以一般大型汽车、重型卡车需要运用大量的钢材来制造更大更厚实的车厢。但是这样会使汽车重量非常的重，导致在行驶过程中需要耗费更多的燃油。针对这样的实际问题，将它转换成物理矛盾的时候，需要找到某一个有对立要求的参数，我们就按照以上步骤找到这个对立的参数。对于卡车车身这一实例中存在的技术矛盾是：强度VS运动物体的重量。物理矛盾则可以简单表述为：卡车车身的材料密度既要是高的，同时又要是低的。,10.3.3 四种分离方法,物理矛盾解决方法的核心思想是实现矛盾双方的分离。为此，阿奇舒勒总结出了11个分离原理，告诉我们如何改变系统才能消除物理矛盾。这11个分离原理是：（1）相反特性的空间分离；（2）相反特性的时间分离；（3）系统转换1a：将多个同类或异类系统合并到一个超系统中；（4）系统转换1b：将系统转换为相反系统或将系统与其相反系统组合；（5）系统的整体特性与局部特性相反；（6）系统转换2：转换为在微观级别上工作的系统；,10.3.3 四种分离方法,（7）相变1：改变系统中某个部分的相态或改变系统外部环境的相态；（8）相变2：系统中某个部分动态的相态变化（根据工作条件来改变相态）；（9）相变3：利用与相变相关的现象；（10）相变4：用双相态的物质代替单相态物质；（11）物理化学转换：“化合-分解”、“电离-复合”可以导致物质的“产生-消除”。,10.3.3 四种分离方法,但是，在实际工作中我们很难将11个分离原理一一记住。为了让使用者能更方便地利用分离的思想进行思考，现代TRIZ在总结解决物理矛盾的各种方法的基础上，将11个分离原理概括为四种分离方法，即：时间分离、空间分离、条件分离、系统级别上的分离。这四种方法的核心思想是完全相同的，都是为了将针对于同一个对象（系统、参数、特性、功能等）的相互矛盾的需求分离开，从而使矛盾的双方都得到完全的满足。它们之间不同之处在于，不同的分离方法选择了不同的方向来分离矛盾的双方。例如，时间分离所选择的求解方向就是在时间上将矛盾双方互斥的需求分离开。,10.3.3 四种分离方法,1）时间分离时间分离是指在时间上将矛盾双方互斥的需求分离开，即通过在不同的时刻满足不同的需求，从而解决物理矛盾。当系统中存在互斥需求（P和-P）的时候，如果其中的一个需求（P）只存在于某个时间段内，而在其他时间段内并没有这种需求，就可以使用时间分离的方法将这种互斥的需求分离开。,10.3.3 四种分离方法,例10-12（1）在十字路口，去往不同方向的汽车都要通过相同的区域。但是，它们又不能同时通过相同的区域，否则就会造成交通事故。利用红绿灯就可以使去往不同方向的汽车在不同的时间通过相同的区域。（2）在下雨的时候，我们希望伞能够尽量大一些，以便更好地遮挡风雨；在不下雨的时候，我们希望伞能够尽量小一些，以便随身携带。折叠伞就很好地解决了这个矛盾。,10.3.3 四种分离方法,例10-13 舰载机（见图10-7）。为了增强航空母舰的战斗力，航空母舰上需要搭载尽可能多的舰载机。由于长度的限制，航空母舰上供飞机起飞的跑道是非常短的。为了在这么短的跑道上起飞，飞机机翼应该大一些，以便在相对较低的速度下获得较大的升力，使飞机顺利起飞；另一方面，为了在空间有限的航空母舰上搭载尽可能多的舰载机，飞机机翼应该尽可能小一些。,10.3.3 四种分离方法,图10-7 舰载机,10.3.3 四种分离方法,（1）分析。在这个问题中，对于机翼互斥的需求是：既要大，又要小。（2）物理矛盾。机翼既应该是大的，又应该是小的，这显然是违反物理规律的。（3）详细的矛盾。当舰载机从航空母舰的飞行甲板上起飞的时候，需要较大的升力，因此希望机翼大；当舰载机停放在航空母舰的飞行甲板上或机库里的时候，为了减小其所占用的空间，希望机翼小。可以看出，对舰载机机翼的互斥需求在时间轴上是不重叠的。因此，可以考虑用时间分离的方法来解决这个物理矛盾。,10.3.3 四种分离方法,（4）简化的问题。当飞机从飞行甲板上起飞的时候，我们如何使机翼保持在“大”的状态；当飞机停放在机库里的时候，我们如何使机翼保持在“小”的状态？有没有一种方法可以使机翼在需要大的时候变大，在需要小的时候变小呢？解决方案：将飞机的机翼设计成可折叠的，当飞机起飞的时候，机翼打开，就处于“大”的状态；当飞机处于停放状态时，将机翼折叠起来，就处于“小”的状态了（见图10-8）。,10.3.3 四种分离方法,图10-8 舰载机的可折叠机翼,10.3.3 四种分离方法,2）空间分离空间分离是指在空间上将矛盾双方互斥的需求分离开，即系统在不同的空间位置满足不同的需求，或在系统的不同部位满足不同的需求，从而解决物理矛盾。当系统中存在互斥需求（P 和-P）的时候，如果其中的一个需求（P）只存在于某个空间位置，而在其他空间位置并没有这种需求，就可以使用空间分离的方法将这种互斥的需求分离开。,10.3.3 四种分离方法,例10-14 空间分离的几个例子。（1）在十字路口，去往不同方向的汽车都要通过相同的区域。但是，它们又不能同时通过相同的区域，否则就会造成交通事故。利用立交桥可以使去往不同方向的汽车在同一时间利用不同的空间位置通过该区域。（2）在利用声呐（见图10-9）对海底进行测量的过程中，如果将声呐探测器安装在船上，那么轮船发出的噪声会影响测量的精度。解决这个问题的方法之一就是用一根很长的电缆将声呐探测器拖在船后很远的地方。从而在空间上将声呐探测器与产生噪声的船分离开。,10.3.3 四种分离方法,图10-9 声呐示意图,10.3.3 四种分离方法,（3）烧菜的时候，锅应该是热的，以便加热食物；同时，锅又应该是不热的，以便厨师用手“抓”住锅进行操作。因此，在锅上安装了用耐高温塑料或木头制成的柄，使锅的不同部位满足不同的需求。,10.3.3 四种分离方法,3）条件分离条件分离是指根据条件的不同将矛盾双方互斥的需求分离开，即通过在不同的条件下满足不同的需求，从而解决物理矛盾。当系统中存在互斥需求（P和-P）的时候，如果其中的一个需求（P）只在某一种条件下存在，而在其他条件下不存在，就可以使用条件分离的方法将这种互斥的需求分离开。,10.3.3 四种分离方法,例10-15 条件分离的几个例子。（1）在十字路口，去往不同方向的汽车都要通过相同的区域。但是，它们又不能同时通过相同的区域，否则就会造成交通事故。利用“环岛”使去往不同方向的汽车在同一时间通过相同的区域，就是条件分离（汽车从各个入口进入环岛，再按照不同的目的地，选择不同的出口从环岛出来）。（2）水是“软”的，鱼儿在水中可以自由遨游；水又是“硬”的，利用高压水可以切割很厚的金属板。可以说，水是软还是硬取决于水的速度这个条件。,10.3.3 四种分离方法,例10-16 可变色的眼镜。对于近视的人来说，当太阳光很强的时候，希望镜片的颜色深一些，当太阳光弱的时候，希望镜片的颜色浅一些，甚至是无色。即，物理矛盾是：镜片的颜色既应该是深的，又应该是浅的。解决方案：在镜片中加入少量氯化银和明胶。其中，氯化银是一种见光能够分解的物质，分解出来的金属银的颗粒很细，但可使镜片的颜色变暗变黑，降低镜片的透明度。在没有太阳光直射的情况下，明胶能使已经分解出来的银和氯重新结合，转变为氯化银。利用这种镜片制成的眼镜可以根据光线强度的不同，呈现不同深浅的颜色。,10.3.3 四种分离方法,4）系统级别上的分离系统级别上的分离是指在系统级别上将矛盾双方互斥的需求分离开，即通过在不同的系统级别上满足不同的需求，从而解决物理矛盾。当系统中存在互斥需求（P和-P）的时候，如果其中的一个需求（P）只存在于某个系统级别上（例如，只存在于系统级别上），而不存在于另一个系统级别上（例如，不存在于子系统或超系统级别上）时，就可以使用系统级别分离的方法将这种互斥的需求分离开。,10.3.3 四种分离方法,例10-17 自行车链条应该是柔软的，以便精确地环绕在传动链轮上，它又应该是刚性的，以便在链轮之间传递相当大的作用力。因此，系统的各个部分（链条上的每一个链节）是刚性的，但是系统在整体上（链条）是柔性的（见图10-10）。,10.3.3 四种分离方法,图10-10 套筒滚子链在不同的系统级别上表现出不同的特性,10.3.3 四种分离方法,例10-18 近视眼镜和远视眼镜的集成。有些人同时具有两种视力问题：近视和远视。我们知道，近视和远视可以分别通过不同的眼镜来进行视力矫正。但是，对于既近视又远视的情况，该怎么办呢？这里，找到的物理矛盾是：人到中年，由于晶体调节能力的减弱，解决既要看远处，又要看近处的问题成为当务之急。,10.3.3 四种分离方法,解决方案：（1）空间分离：1784年，富兰克林将两种不同度数的镜片装入一个眼镜框中，以解决既要看远又要看近的问题，成为眼镜发展史上的一个里程碑。随后人们相继发明了许多种双光眼镜，给工作与生活带来极大的便利。这一成就在人们不断的改进和发展中持续了将近200年。直到1959年，一种新产品渐进多焦点的问世，给人们带来了新的喜悦。渐进多焦点眼镜片在国外一些先进国家已经得到广泛的认可。（2）时间分离：两副眼镜，根据需要换着戴。（3）条件分离：像照相机镜头那样的自聚焦透镜。（4）系统级别上的分离：可以改变曲率和焦距的塑料透镜。,利用分离方法求解物理矛盾,10.4,10.4 利用分离方法求解物理矛盾,解决物理矛盾的核心思想是这样的：利用分离方法，将对同一个对象的某个特性的互斥要求分离开，并分别予以满足。,10.4 利用分离方法求解物理矛盾,例10-19 电解铜板的防腐。通过矿石冶炼得到的铜，通常都含有硫化物CuS和Cu2S，称为粗铜。利用电解法对铜进行提纯时，将粗铜（含铜99%）预先制成厚板作为阳极，纯铜制成薄片作阴极，用硫酸底溶液作为电解质。通电后，铜从阳极溶解成铜离子（Cu2+）向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜。粗铜中的某些杂质（如比铜活泼的铁和锌等）会随铜一起溶解为离子。比铜不活泼的杂质（如金和银等）会沉积在电解槽的底部，称为“阳极泥”。这样生产出来的铜板称为电解铜，根据国家标准GB/T467-1997的规定，电解铜中杂质元素总含量应不大于0.0065。随后，电解铜板会被熔化，铸成各种型材。电解铜的生产原理如图10-11所示。,10.4 利用分离方法求解物理矛盾,图10-11 电解铜的生产原理,10.4 利用分离方法求解物理矛盾,在电解过程中，铜离子（Cu2+）向阴极移动的速度和铜离子在阴极获得电子并析出的速度与电流密度成正比。当电流密度较小时，铜离子移动和析出的速度慢，铜离子在阴极上形成的结晶颗粒分布均匀，生产出的铜板表面光滑；当电流密度较大时，铜离子移动和析出的速度快，铜离子在阴极上形成的结晶颗粒分布不均匀，在生产出的铜板表面会形成一些小孔。,10.4 利用分离方法求解物理矛盾,为了保证较高的生产效率，实际生产中往往会采用较大的电流密度，导致结晶过程中会形成小孔，电解液和一些杂质会附着于小孔中。在后续储运时，在潮湿的空气中，杂质、电解液和纯铜会与氧气反应，在铜板表面会出现绿斑。为了避免在储运过程中产生绿斑，在电解铜板从电解槽中取出之后，会被放入到专用的清洗设备中，用水和清洗液对铜板表面进行清洗，希望去除表面小孔中附着的电解液和杂质。但是，这需要消耗大量的水和清洗液。如何解决这个问题？与利用矛盾矩阵解决技术矛盾的过程类似，利用分离方法解决物理矛盾，大致可以分为以下三个步骤，即分析技术系统，定义和解决物理矛盾。,10.4.1 分析技术系统,按以下步骤，来分析技术系统。步骤1：确定技术系统的所有组成元素。首先，通过对技术系统中各个组成元素的分析，对每个组成元素的参数、特性和功能有一个全面的认识。其次，通过对各个组成元素之间的相互作用关系的分析，从整体上把握整个系统的作用机制，即：不同元素之间存在什么样的相互作用，以及它们对于系统整体性能、功能的实现分别起到了什么样的作用。最后，通过上述分析，为找出问题的根源奠定基础。,10.4.1 分析技术系统,另外，通过对技术系统进行深入分析，可以确定其所包含的各个子系统、所属的超系统，以及为找出问题的根源做准备。从而帮助我们更好地理解技术问题。只有这样，才可能从整体上系统地了解现有技术系统的情况：子系统、系统和超系统的过去、现在和未来。在本例中，作为一个技术系统，电解铜生产设备由以下几部分组成：电解